DE2450070A1

DE2450070A1 - Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauteils

Info

Publication number: DE2450070A1
Application number: DE19742450070
Authority: DE
Inventors: Edward Curtis Douglas; Charles William Mueller; Chung Pao Wu
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-10-29
Filing date: 1974-10-22
Publication date: 1975-04-30
Also published as: US3880676A; BE821565A; NL7413791A; JPS50113169A; IT1021262B; BR7408804D0; IN140574B; SE401965B; SE7413466L; GB1446268A; FR2249442A1

Description

Dipl.-lng. H. Sauenla^u · Dr.-ing. R. König ■ Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4ooo noe-seldcrf εο · Cecilienallee 7b · Telefon 43273a

21. Oktober 1974 29 576 B

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York« N₀Y. 10020 (V.St₀A₀)

"Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils, insbesondere auf ein Verfahren, bei dem Dotierstoffatome durch einen Oberflächenbereich in ein Halbleitermaterial implantiert werden.

Bei der Herstellung eines Hälbleiterbauteils, beispielsweise eines Transistors^, mit Hilfe der Ionenimplantation von Dotierelementen in ein Siliziumseheibchen wird das Silizium des implantierten Bereichs gewöhnlich beschädigt „ Gewöhnlich tritt ein Ausdiffundieren der Dotieratome zur Oberfläche des Siliziumscheibchens und/oder Verdampfen der Dotieratome aus der Oberfläche ein, wenn auf die Ionenimplantation konventionelle Wärmebehandlungen folgen,, Es hat sich herausgestellt, daß die ■Wärmebehandlung eines ionenimplantierten Transistors, wie .sie bisher praktiziert wird, unbrauchbar ist, um das gewünschte Dotierniveau und den Konzentrationsverlauf eines ionenimplantierten Emitters zu erreichen. In einigen Fällen hat sich gezeigt, daß die Emitter-Dotier-Konzentration auf ein Dreißigstel der für Transistoren, die mit Hilfe herkömmlicher Diffusionsmethoden hergestellt wurden^ gewünschten Konzentration reduziert wurde. Somit führt eine herkömmliche Wärme-

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behandlung ionenimplantierter Transistoren zu reduziertem und variablem Emitterdotieren und als Folge davon zu Transistoren, die niedrigere und schwankende Stromverstärkungseigenschaften besitzen,, Wenn die Emitter-Dotieratome tief implantiert werden, um das durch die nachfolgende Wärmebehandlung hervorgerufene Ausdiffundieren auf ein Minimum zu bringen, können im Transistor jedoch nachteilige Emitter-Kollektorkurzschlüsse auftreten.

Die Emitterdotierung in einem Transistor sollte relativ hoch und gleichmäßig sein, damit der Emitter mit bestem Wirkungsgrad arbeitet» Hohe Dotierung an der Oberfläche führt zu gewünscht niedrigem Kontaktwiderstand» Auch sollten die Diffusionslängen der Ladungsträger am pnübergang lang sein_f d„h. das Silizium sollte nicht beschädigt und die Lebensdauer der Ladungsträger lang sein. Ein plötzlicher bzw» steiler pn-übergang zwischen Emitter- und Basisbereichen des Transistors ist ebenfalls" erwünscht„

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, das die vorangegebenen Bedingungen erfüllt und sich gleichzeitig zur Herstellung von Halbleiterbauteilen mittels Ionenimplantation eignet, ohne daß ein Ausdiffundieren und/oder Verdampfen von Dotierstoff atomen aus den ionenimplantierten Bereichen des Bauteils eintritt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf den für die Implantation vorgesehenen Durchtrittsbereich der Oberfläche nach Beendigung der Implantation eine Schicht aus Deckmaterial aufgebracht wird, das gegenüber den Dotieratomen bezüglich thermischer Diffusion undurchdringlich ist, und daß das Bauteil sodann geglüht wird«,

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Bei Anwendlang des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein ionenimplantiertes Halbleiterbauteil, "beispielsweise ein Transistor, geglüht werden, ohne daß ein nennenswerter Verlust an Emitter-Dotieratomen auftritt, so daß ein Bauteil mit hoher, kontrollierbarer und reproduzierbarer Stromverstärkung geschaffen wird₀ Die Sperrschicht-Durchbruchsspannung und die Sperrstrom-Eigenschaften der Grenzschichten erfindungsgemäß hergestellter, ionenimplantierter Transistoren werden ebenfalls verbessert.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Deckmaterial aus einem Isolierstoff, der unterschiedlich von dem Material ist, auf.das er aufgebracht wird.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Deckmaterial aus hitzebeständigem Metall, das während des Glühens nicht in das Halbleitermaterial diffundiert«

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Deckmaterial aus demselben Material bestehen wie der Halbleiter, in den die Dotieratome' implantiert werden, wobei das Deckmaterial mit Dotierstoffen dotiert wird ähnlich denen, die ionenimplantiert werden. Das Deckmaterial ist jedoch unterschiedlich von dem Material, das das Fenster, bildet, durch das die Dotieratome in das Halbleitermaterial implantiert werden«,

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Deckmaterial mit einem Ätzmittel entfernt werden kann, das das darunterliegende Material nicht ätzt oder angreift (erweitert). Wenn dies nämlich so wäre, dann würde das auf das Deckmaterial einwirkende Ätz-

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mittel auch das darunter liegende Material wegätzen und somit gewünscht kleine Bereiche, die durch das unterliegende Material begrenzt werden, aufweiten. Derartige Einflüsse können in außerordentlich nachteiligen Kurzschlüssen verschiedener benachbarter Bereiche des Transistors bei nachfolgender Metallisierung resultieren.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Deckmaterial auf dem ionenimplantierten Bereich nach der Ionenimplantation jedoch vor dem Wärmebehandlungsschritt angebracht wird. Die Erfinder haben festgestellt, daß bei Anbringen des Deckmaterials auf dem mit Ionen zu implantierenden Bereich vor dem Implantationsprozeß ein Teil der Dotierionen im Deckmaterial (gewöhnlich Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid) während der Ionenimplantation eingefangen werden, mit dem Ergebnis, daß das Deckmaterial stark ätzbeständig, hart, bröcklig wird mit der Neigung, während des Glühens zu brechen, und unerwünscht schwer zu entfernen ist» Ein Bruch im Deckmaterial ermöglicht Ausdiffundieren und Verdampfen der ionenimplantierten Atome. Weiterhin ist es schwierig, die gewünscht hohen Dotierkonzentrationen in bestimmten Bereichen innerhalb annehmbar kurzer Zeitdauer zu erreichen, wenn ein Teil der Dotierionen im zuvor aufgebrachten Deckmaterial eingefangen wird.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend im Zusammenhang mit der Herstellung eines bipolaren Transistors beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Anwendung bei der Herstellung von Transistoren beschränkt ist, sondern bei der Herstellung jeglicher ionenimplantierter Bauteile verwendbar ist,

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bei denen eine Wärmebehandlung nach erfolgter Implantation von Dotieratomen erforderlich und/oder gewünscht ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Ms 6 Ausschnitte eines npn-Transistors kreisförmiger Symmetrie in verschiedenen Herstellungsstadien, im Seitenquerschnitt.

In Fig. 1 ist ein Halbleiterscheibchen 10 dargestellt, das beispielsweise aus einkristallinem, n-leitendem Silizium besteht und für die Herstellung eines npn-Transistors vorgesehen ist. Das Scheibchen 10 hat eine Dicke von ungefähr 0,025 cm und eine Konzentration

15/3 an Donatorladungsträgern von ungefähr 1 χ 10 /cm . Eine Schicht 12 aus thermisch gewachsenem Siliziumdioxid mit einer Dicke von ungefähr 1 JLL m ist auf der oberen Oberfläche 14 des Scheibchens 10 vorgesehen; eine n⁺-Kollektorkontaktschicht 16 mit einer Dicke von ungefähr 1/^-m ist auf der unteren Oberfläche 18 des Scheibchens 10 angebracht. Die thermisch aufgewachsene. Siliziumdioxidschicht 12 kann in bekannter Weise hergestellt sein, beispielsweise durch Erhitzen des Scheibchens 10 in Dampf. Die η -Kontaktschicht 16 kann durch Diffusion eines geeigneten"Dotierstoffes, wie Phosphordotieratome, aus einer dotierten Schicht Siliziumdioxid gebildet werden, die nachfolgend entfernt wird» Die maximale Donatorträgerkonzentration in der ^-Kontaktschicht ist vorzugsweise größer als 5 x 10 "/cm „

Eine Öffnung, beispielsweise ein ringförmiges Fenster 20 wird 'in der Siliziumdioxidschicht 12 gebildet, wie aus Fig. 1 hervorgeht,, Ein ringförmiger, schachtartig eingelassener Basiskontakt 22 wird sodann mit Hilfe der Ionenimplantation von Bor-Dotieratomen vorzugsweise mit einer maximalen Trägerkonzentration von mehr als

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5 χ 1O¹⁹/cm³ gebildet.

Ein Teil der durch den ringförmigen Basiskontakt 22 begrenzten Siliziumdioxidschicht 12 wird weggeätzt, z.B_e mit gepufferter Flußsäure, und es wird ein Basisbereich 24 gemäß Fig. 2 im Scheibchen 10 gebildet. Bor-Dotieratome werden in den Bereich 24 mit einer maximalen

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Ladungsträgerkonzentration zwischen ungefähr 1 χ 10 bis 1 χ 10 '/cm implantiert.

Sodann werden Vorkehrungen getroffen, um eine Öffnung, oder ein Fenster, für einen Emitterbereich zu begrenzen. Hierfür wird eine Siliziumdioxidschicht 26 mit einer Dicke von ungefähr 0,5/6m benutzt» Die Silizium™ dioxidschicht 26 wird durch Dampfniederschlagen aus der Reaktion von Silan in Sauerstoff in bekannter Weise auf die Oberfläche 14 gebracht. Mit Hilfe fotolithografischer !Techniken,, die ebenfalls bei der Herstellung von Ha3.bleitern bekannt sind, wird in der Siliziumdioxidschicht 26 ein Fenster 28 gebildet, um einen Teil der Oberfläche 14 des Scheibchens 10 gemäß Fig. 4 freizulegen» Emitter-Dotieratome, wie Arsenatome mit einer maximalen Konzentration zwischen ungefähr 5 x 10 ^ und 5 x 10 /cia , werden nunmehr durch das Fenster 28 ionenimplantiert, um einen Emitterbereich 30 des Bauteils zu bilden. Sofern das in Fig. 4 dargestellte Bauteil nunmehr so wärmebehandelt werden müßte, wie dies beim konventionellen Glühen bisher durchgeführt wurde, würden sämtliche ionenimplantierte Dotieratome des Emitterbereichs 30 ausdiffundieren und/oder verdampfen, und zwar durch den durcn das Fenster 29 begrenzten Bereich der Oberfläche 14j so daß der Wirkungsgrad und die Betriebscharakteristiken des Transistors erheblich eingeschränkt würden,,

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Erfindungsgemäß kann das in Fig. 4 dargestellte Halbleiterbauteil geglüht werden, ohne daß sein Leistungsvermögen "beeinträchtigt wird, indem zunächst im Emitterbereich 30, auf der Oberfläche 14 und innerhalb des Fensters 28 ein Deckmaterial aufgebracht wird, das gegenüber den Dotieratomen hinsichtlich thermischer Diffusion undurchdringlich ist» So wird eine Siliziumnitridschicht 32 über der Siliziumdioxidschicht 26 und über der Oberfläche 14 des Scheibchens 10 innerhalb des Fensters 28, das den Emitterbereich 30 begrenzt, angebracht, wie aus Fig. 5 hervorgeht. Ein derart abgedecktes Halbleiterbauteil kann in Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen ungefähr 700⁰C und 1000⁰C zwischen ungefähr 15 Minuten und 1 Stunde lang geglüht werden, ohne daß irgendein Verlust an Dotieratomen im Emitterbereich 30 eintritt.

Das Deckmaterial (Siliziumnitridschicht 32) wird vorzugsweise so ausgesucht, daß es später, nachdem die Wärmebehandlung beendet ist, entfernt werden kann, ohne daß auch nur der geringste Teil der darunter liegenden Schichten zerstört oder weggeätzt wird. Wenn die Schicht 26 aus Siliziumdioxid besteht, wird für die darüber liegende Schicht 32 vorzugsweise ein Material verwendet, das mit Hilfe eines Ätzmittels entfernt werden kann, das die darunter liegende Siliziumdioxidschicht 26 nicht angreift. Die Siliziumnitridschicht 32 kann in einfacher Weise mit Hilfe eines Ätzmittels aus heißer Phosphorsäure entfernt werden, ohne daß die darunter liegende Siliziumdioxidschicht 26 angegriffen wird. Da die Breite des Emitterbereichs 30 in der Größenordnung von 1 oder 2 JLLm. liegt, muß darauf geachtet werden, daß von der Schicht 32 auf gar keinen Fall mehr entfernt wird, als direkt über der Emitterschicht 30 liegt, um auf alle Fälle beim nachfolgenden Metall-

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kontaktieren Kurzschlüsse des Emitterbereichs 30 mit dem Basisbereich 24 zu vermeiden.

Nach dem Glühen wird die Siliziumnitridschicht 32 entfernt, z.B. mit heißer Phosphorsäure, und ein ringförmiges Fenster 34 oberhalb des Basiskontaktbereichs 22 durch die Siliziumdioxidschicht 26 geätzt.

Sodann werden Metallkontakte hergestellt, z.B. mit Hilfe fotolithografischer Verfahren sowie durch Aufdampfen von Schichten aus Chrom und Gold innerhalb des ringförmigen Fensters 34 und des Fensters 28, um Basis- und Emitterkontakte 36 bzw. 38 in bekannter Weise herzustellen. Ein Metallkontakt 40 aus Chrom und Gold wird in ähnlicher Weise auf der Kollektorkontaktschicht 16 vorgesehen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wichtig,daß das Deckmaterial, mit dem ein Ausdiffundieren und/oder Verdampfen von Dotieratomen aus einem Halbleitermaterial während der Wärmebehandlung verhindert wird, mit einem Mittel geätzt werden kann, das die darunterliegenden Materialschichten nicht angreift. Wenn z.B. das Deckmaterial aus Siliziumnitrid besteht, wird für das darunter liegende Material gemäß Fig. 5 vorzugsweise Siliziumdioxid gewählt, und umgekehrt. Das Deckmaterial sollte undurchdringlich für Dotieratome durch thermische Diffusion sein und sollte selbst zumindest nicht leicht in die darunter liegenden Bereiche diffundieren. Das Deckmaterial kann daher auch aus hitzebeständigem Metall bestehen, das einen Schmelzpunkt aufweist, der oberhalb der für die Wärmebehandlung erforderlichen Temperatur liegt. Auch dieses Metall sollte während der Wärmebehandlung nicht in das HaIb-

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leitermaterial diffundieren. Geeignete Metalle als Deckmaterial im Rahmen der Erfindung sind z.B. Wolfram, Molybdän, Platin, .Palladium, und zwar einzeln sowie nebeneinander.

Eine Schicht aus geeignet dotiertem Silizium, z.B. arsendotiertes Silizium, kann als Deckmaterial Verwendung finden. Die dotierte Schicht sollte eine Dicke zwischen 1 und 5 /i aufweisen und könnte durch Niederschlagen aus der Dampfphase durch die Reduktion von Silan in Gegenwart des Dotiermittels in bekannter Weise hergestellt werden«, Da die aufgedampfte, dotierte Siliziumschicht eine Epitaxialschicht aus Silizium darstellt, kann sie als geeignetes Deckmaterial für den ionenimplantierten Emitterbereich 30 dienen. Gemäß Fig. 5 ergibt sich somit fügendes: Sofern die Schicht 32 aus epitaktisch aufgebrachtem, dotiertem Silizium besteht und das Dotiermaterial aus Dotieratomen gebildet wird, die ähnlich denen sind, die in den Emitterbereich 30 ionenimplantiert wurden, kann der Transistor geglüht werden, ohne daß ein Verlust an ionenimplantierten Dotieratomen eintritt. Dies ist möglich, weil ein Ausdiffundieren und Verdampfen aus dotiertem, epitaktisch aufgebrachtem Silizium im Verhältnis sehr viel langsamer vor sich geht, als aus Silizium (Emitterbereich 30) in das Dotieratome ionenimplantiert wurden.

Sofern die Basis-, Emitter- und Kollektorkontakte 36, 38 bzw. 40 aus einem der zuvor erwähnten Metalle oder Zusammensetzungen daraus bestehen, kann das Transistorbauteil in fertigem Zustand erstmals geglüht werden, ohne daß irgendein Verlust an Dotieratomen auftritt, so daß einige Verfahrensschritte der bisherigen Herstellungsprozesse vermieden werden.

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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren zuvor im Zusammenhang mit der Herstellung eines npn-Transistors beschrieben und dargestellt wurde, ist es selbstverständlich
in gleicher Weise für die Herstellung anderer Halbleite rbauteile anwendbar, die ionenimplantierte Bereiche aufweisen. Darüber hinaus sei erwähnt, daß keiner der
zuvor erwähnten Zahlenwerte kritisch ist, da diese
Werte nur als Beispiellß angegeben wurden.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.T. 10020 (V₀St₀A.)

Patentansprüche:

!-/Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils, "bei dem durch einen Teil einer Oberfläche Dotierstoffatome in■ein Halbleitermaterial implantiert werden, dadurch gekennzeichnet , daß auf den für die Implantation vorgesehenen Durchtrittstreich der Oberfläche (14) nach Beendigung der Implantation eine Schicht (32) aus Deckmaterial aufgebracht wird, das gegenüber den Dotieratomen bezüglich thermischer Diffusion undurchdringlich ist, und daß das Bauteil sodann geglüht wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e nn zeichnet , daß der Wärmebehandlungsschritt aus einem Erhitzen des Bauteils auf eine Temperatur zwischen ungefähr 700⁰C und 1000°C für eine Zeitdauer von ungefähr 15 Minuten bis 1 Stunde besteht, und daß der Durchtrittsbereich der Oberfläche (14) des Halbleitermaterials durch ein Fenster (28) begrenzt wird, das aus einem Material (26) besteht, das vom Deckmaterial (32.) verschieden ist.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchtrittsbereich an der Oberfläche des Halbleitermaterials durch eine Öffnung in einer Siliziumdioxid- oder Siliziumnitridschicht begrenzt wird, und daß zum Aufbringen einer Schicht aus Deckmaterial auf dem Durchtrittsbereich eine Siliziumnitrid- bzw. Siliziumdioxid-

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schicht vorgesehen wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht, die die zur Begrenzung des Durchtrittsbereichs erforderliche öffnung aufweist, aus isolierendem Material besteht, und daß als Deckschicht eine Metallschicht aufgebracht wird, deren Schmelzpunkt oberhalb der für die Wärmebehandlung erforderlichen Temperatur liegt, wobei das Metall bis zu Temperaturen von 1OOO°C nicht in der Lage ist, in das Halbleitermaterial zu diffundieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichnet,. daß das Metall aus der aus Wolfram, Molybdän, Platin und Palladium bestehenden Gruppe gewählt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet , ι daß bei der Herstellung eines Transistors der Durchtrittsbereich der Oberfläche den Emitterbereich des Transistors darstellt, der durch ein Fenster in einer Siliziumdioxidschicht begrenzt wird, und daß als Deckmaterial Siliziumnitrid verwendet wird.

7· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitermaterial aus Silizium besteht, während als Deckmaterial eine Schicht aus Silizium verwendet wird, das mit Atomen dotiert ist, die ähnlich den in das Halbleitermaterial ionenimplantierten Atomen sind.

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